【文章內(nèi)容簡介】 司的超級電容器，到 2022 年底將達(dá)到 1000 輛以上。 超級電容器在運(yùn)動控制領(lǐng)域的應(yīng)用 在現(xiàn)代高 層建筑中，電梯的耗能僅次于空調(diào)。以往的電梯采用機(jī)械制動的方法，將這部分能量以熱的形式散發(fā)掉，這不但浪費(fèi)，而且多余熱量使機(jī)房溫度升高，增加散熱的負(fù)擔(dān)和成本。如果能夠回收多余的動能及勢能，電梯系統(tǒng)真正消耗的能量就只限于電能轉(zhuǎn)換中的損耗和機(jī)械損耗，其中主要包括變頻器、牽引電機(jī)及其機(jī)械損耗。 因此，在電梯設(shè)計、配置中最迫切需要解決的問題是要全面考慮節(jié)能措施。采用節(jié)能環(huán)保型電梯是未來節(jié)能建筑領(lǐng)域的必然趨勢。通過分析電梯系統(tǒng)的運(yùn)動特性，我們可以發(fā)現(xiàn)節(jié)能的方向：電梯在升降過程結(jié)束時，經(jīng)常會有制動剎車，產(chǎn)生巨大的制動電流， 這是可以回收的；另外，在建筑高層，電梯和電梯使用者都具有很大的勢能，也可以進(jìn)行回收。由于超級電容器具有大電流充放電等優(yōu)良的特性，可在電梯系統(tǒng)中作為能量回收裝置回收能量。 超級電容器還可以應(yīng)用于建筑領(lǐng)域的通風(fēng)、空調(diào)、給排水系統(tǒng)中，作為啟動裝置。另外，超級電容器還可以應(yīng)用于電站、變流以及鐵路系統(tǒng)中，包括電磁閥門控制系統(tǒng)、配電屏分合閘、鐵路的岔道控制裝置等。 作為能源最大消耗者之一的港口機(jī)械設(shè)備，港口機(jī)械如場橋、岸橋中的吊具載運(yùn)貨物上升時需要很大的能量，而下降時自動產(chǎn)生的勢能很大，這部分勢能在傳統(tǒng)機(jī)械設(shè)備中沒有得 到合理利用。除了在固定港口機(jī)械設(shè)備中，在流動機(jī)械中也同樣存在上述問題。通過采用超級電容器，能夠?qū)崿F(xiàn)上升過程中的制動能量回收，下降過程中的勢能回收。 超級電容器能用作飛機(jī)上柴油機(jī)啟動系統(tǒng)工作電源的輔助電源，能提供飛機(jī)發(fā)動機(jī)瞬間所需的沖擊大電流，另外還可以解決 422 系列電源車啟動飛機(jī)瞬間功率不足的問題，從而在啟動瞬間對直流電源車發(fā)電系統(tǒng)尤其是內(nèi)燃機(jī)具有很大的保護(hù)作用。 總之，超級電容器能用于優(yōu)化主要的運(yùn)動控制系統(tǒng)的暫態(tài)響應(yīng)性能，實(shí)現(xiàn)節(jié)超級電容器的應(yīng)用研究 14 能的目標(biāo)。 超級電容器在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用 用于分布式發(fā)電 系統(tǒng) 隨著電力系統(tǒng)的發(fā)展，分布式發(fā)電技術(shù)越來越受到重視。儲能系統(tǒng)作為分布式發(fā)電系統(tǒng)必要的能量緩沖環(huán)節(jié)，因而其作用越來越重要。超級電容器儲能系統(tǒng)利用多組超級電容器將能量以電場能的形式儲存起來，當(dāng)能量緊急缺乏或需要時，再將存儲的能量通過控制單元釋放出來，準(zhǔn)確快速地補(bǔ)償系統(tǒng)所需的有功和無功，從而實(shí)現(xiàn)電能的平衡與穩(wěn)定控制。 2022 年，美國加利福尼亞州建造了 1 臺 450kW的超級電容器儲能裝置，用以減輕 950kW 風(fēng)力發(fā)電機(jī)組向電網(wǎng)輸送功率的波動。 超級電容器可以作為太陽能或風(fēng)能發(fā)電裝置的輔助電源，將發(fā)電裝置所產(chǎn)生的能量 以較快的速度儲存起來，并按照設(shè)計要求釋放。與傳統(tǒng)蓄電池相比，一方面超級電容器對于充放電電流沒有嚴(yán)格的限制，更加適合太陽能和風(fēng)能發(fā)電裝置電流波動范圍較大的特點(diǎn)，另一方面超級電容器的長壽命、免維修和環(huán)保德國特點(diǎn)能夠環(huán)保等特點(diǎn)能夠保證這些新型能源杜絕二次污染，并能長時間免維護(hù)地使用，成為真正的綠色能源。 將超級電容器與太陽能、風(fēng)能系統(tǒng)相結(jié)合，還可能開發(fā)出一系列新型的免維護(hù)裝置，例如航空燈，在白天由太陽能提供電源并對超級電容器充電，晚上則由超級電容器提供電源。由于超級電容器的使用維護(hù)要求極低，使用壽命可 達(dá) 10 年，這 種新型的航空燈可以大大減輕日常維護(hù)工作地強(qiáng)度，并能保證長時間可靠工作。 除此之外，儲能系統(tǒng)對電力系統(tǒng)配電網(wǎng)電能質(zhì)量的提高也可起到重要的作用。通過逆變器控制單元，可以調(diào)節(jié)超級電容器儲能系統(tǒng)向用戶及網(wǎng)絡(luò)提供的無功及有功，從而達(dá)到提高電能質(zhì)量的目的。 用于變 /配電站直流系統(tǒng) 我國 20 世紀(jì) 60～ 80 年代建設(shè)的 35kV 變電站及 10kV 開關(guān)站 (室 )， 絕大多數(shù)高壓開關(guān) (斷路器 )的操動機(jī)構(gòu)是 CDX 型電磁操動機(jī)構(gòu)。在變電站或配電站的配電室中均配有相應(yīng)的直流系統(tǒng) ， 用作分合閘操作、控制和保護(hù)的直流電源。這些直流電源 設(shè)備 ， 主要是電容儲能式硅整流分合閘裝置和部分由蓄電池構(gòu)成的直流屏。 電容儲能式硅整流分合閘裝置由于結(jié)構(gòu)簡單、成本低、維護(hù)量小而在當(dāng)時得到廣泛應(yīng)用 ， 但是在實(shí)際使用中卻存在一個致命缺陷 ： 事故分合閘的可靠性差。超級電容器的應(yīng)用研究 15 其原因是儲能用電解電容的容量有限 (只有幾千μ F)， 漏電流較大。 由蓄電池構(gòu)成的直流屏雖然能存儲很大的電能 ， 在一些重要的變、配電站中成為必需裝置 ， 但由于其運(yùn)營成本極高、使用壽命不長 ， 因此這些裝置只能用于110kV 級別的變電站 ， 難以推廣使用。 超級電容器以其超長使用壽命、頻繁快速的充放電特性、便宜的價格等優(yōu)點(diǎn) ，使解決上述問題成為可能。如用 2 只 ， 240/280V 的超級電容器并聯(lián)后就可完全替代笨重的、需要經(jīng)常維護(hù)的、且有污染的蓄電池組。由于一次合閘的能耗只相當(dāng)于超級電容器所儲能量 (70kJ)的 3%， 而這一能量在浮充電路中又可很快被補(bǔ)充 ， 因而完全適應(yīng)連續(xù)頻繁的操動 ， 且具有極高的可靠性。 用于動態(tài)電壓跌落裝置 盡管很多用戶選擇不間斷電源 (UPS)作為電網(wǎng)斷電或電網(wǎng)電壓瞬時跌落時設(shè)備電源的補(bǔ)救裝置 ， 但對于電壓瞬時跌落而言 ， UPS 顯得有些大材小用。 UPS 由蓄電池提供電能 ， 工作時間持續(xù)較長 ， 但是 ， 由于蓄 電池自身的缺點(diǎn) (需定期維護(hù)、壽命短 )， 使 UPS 在運(yùn)行中需時刻注意蓄電池的狀態(tài)。而電力系統(tǒng)電壓跌落的持續(xù)時間往往很短 (10ms～ 60s)， 因此在這種情況下使用超級電容器的優(yōu)勢比 UPS明顯 ：其輸出電流可以幾乎沒有延時地上升到數(shù)百安 ， 而且充電速度快 ， 可以在數(shù)分鐘內(nèi)實(shí)現(xiàn)能量存儲 ， 便于下次電源故障時起用。因此盡管超級電容器的儲能所能維持的時間很短 ， 但當(dāng)使用時間在 1min 左右時 ， 它具有無可比擬的優(yōu)勢 ——— 50 萬次循環(huán)、不需護(hù)理、經(jīng)濟(jì)。在新加坡 ， ABB 公司生產(chǎn)的利用超級電容器儲能的動態(tài)電壓恢復(fù)裝置 (DVR)安裝在 4MW 的 半導(dǎo)體工廠 ， 以實(shí)現(xiàn) 160ms 的低電壓跨越。 由于超級電容器充放電迅速，可以適應(yīng)較寬溫度范圍內(nèi)的工作，循環(huán)壽命長，同時是真正的免維護(hù)電源，因此可以作為潛艇和船只等設(shè)備的主輔電源，坦克、裝甲車的超低溫啟動電源，航天器、雷達(dá)的動力電源，野戰(zhàn)醫(yī)院醫(yī)療器械的主輔電源，單兵小型電臺的主輔電源等。據(jù)報道，我國東北地區(qū)進(jìn)行的軍事演習(xí)中，由于愛用了超級電容器作為軍車的低溫啟動電源，軍車的高寒作戰(zhàn)能力大大提高，在 — 25℃以下的低溫條件下，仍然保持了較好的機(jī)動能力。 用于靜止同步補(bǔ)償器 靜止同步補(bǔ)償器 (STATCOM)是靈活交流輸電技術(shù) (FACTS)的主要裝置之一 ， 代表著現(xiàn)階段電力系統(tǒng)無功補(bǔ)償技術(shù)新的發(fā)展方向。它能夠快速連續(xù)地提供容性和超級電容器的應(yīng)用研究 16 感性無功功率 ， 實(shí)現(xiàn)適當(dāng)?shù)碾妷汉蜔o功功率控制 ， 保障電力系統(tǒng)穩(wěn)定、高效、優(yōu)質(zhì)地運(yùn)行?；陔p電層電容儲能的 STATCOM， 可用來改善分布式發(fā)電系統(tǒng)的電壓質(zhì)量。其在 300～ 500kW 功率等級的分布式發(fā)電系統(tǒng)中將逐漸替代傳統(tǒng)的超導(dǎo)儲能。經(jīng)濟(jì)性方面 ， 同等容量的雙電層電容儲能裝置的成本同超導(dǎo)儲能裝置的成本相差無幾 ， 但前者幾乎不需要運(yùn)行費(fèi)用 ， 而后者卻需相當(dāng)多的制冷費(fèi)用 。 用于分布式儲能系 統(tǒng) 20 世紀(jì) 80 年代以來，世界電力工業(yè)開始電力體制改革，其核心就是實(shí)現(xiàn)電力企業(yè)的私有化和構(gòu)建競爭性電力市場。電力市場是電力系統(tǒng)中的發(fā)電、輸電、供電、用電各部分組織協(xié)調(diào)運(yùn)行并進(jìn)行電力交易的綜合體。 1992 年，電力部正式提出建立國內(nèi)的電力市場。隨著中國電力體制改革的進(jìn)一步深化，電力行業(yè)被重組為兩大電網(wǎng)公司和五大發(fā)電公司，國家電力監(jiān)管會正式掛牌運(yùn)轉(zhuǎn)，電力市場正在逐步形成。 電能作為商品，電能質(zhì)量自然就成為其重要的特征參數(shù)。 IEEE 給出電能質(zhì)量問題的一般解釋為：在供電過程中導(dǎo)致電氣設(shè)備出現(xiàn)誤操作或故障損壞的任何異常現(xiàn)象。電能質(zhì)量包括電壓質(zhì)量、電流質(zhì)量、供電質(zhì)量和用電質(zhì)量，涉及到電壓、頻率、波形和三相平衡等方面的用電可靠性、連續(xù)性、可操作性等方面。 目前，美國西屋電氣公司、德國西門子公司、日本三菱電氣公司、瑞典 ABB公司等各大電力設(shè)備制造商都制造出相應(yīng)的產(chǎn)品。電壓是電能質(zhì)量的重要指標(biāo)之一，影響電能質(zhì)量的電壓干擾，主要包括電壓偏移、三相不平衡、電壓波動與閃變、電壓的諧波分量、電壓跌落和瞬時斷電等。 在提高電能質(zhì)量的過程中，儲能系統(tǒng)正起著越來越大的作用。根據(jù)容量大小的區(qū)別，儲能系統(tǒng)的主要作用也各有不同。 （ 1）大型儲能系 統(tǒng)：主要用作電力網(wǎng)的可調(diào)節(jié)發(fā)電電源，對電力網(wǎng)進(jìn)行控制和調(diào)節(jié)，如頻率控制、備用容量控制、動態(tài)快速響應(yīng)、削峰填谷調(diào)平負(fù)荷以及防止系統(tǒng)解列和瓦解等。 （ 2）中型儲能系統(tǒng)：主要用于大功率遠(yuǎn)距離輸變電系統(tǒng)，其主要功能有提高輸電穩(wěn)定性、維持電壓穩(wěn)定、抑制諧波、調(diào)節(jié)負(fù)荷等。 （ 3）小型儲能系統(tǒng)：主要用于調(diào)節(jié)電能質(zhì)量和提高供電可靠性，其主要功能有電壓控制、抑制電壓波動與閃變、抑制電壓下跌、瞬時斷電供電等。 超級電容器的應(yīng)用研究 17 4 超級電容器 存在的問題及發(fā)展趨勢 超級電容器雖然有很多的優(yōu)點(diǎn)，但是也有不足之處，以下總結(jié)了超級電容器的幾點(diǎn)不足 。 (1)能量密度小，不適合應(yīng)用在需求大能量儲存的場合； (2)端電壓低，因此必須用多個超級電容器進(jìn)行串并聯(lián)才能滿足電壓等級要求； (3)串聯(lián)產(chǎn)生均壓問題，均壓的不平衡會影響到整個儲能系統(tǒng)的效率和壽命； (4)成本高，受其材料和制備工藝的影響，目前一個單體電容的成本都比較高。 超級電容器由于具備高比功率、長循環(huán)壽命等優(yōu)勢，目前已應(yīng)用于計算機(jī)備用電源、信號燈電源及與燃料電池、鎳氫電池等動力電池復(fù)合作為電動汽車的動力電源。隨著電動車研究的興起，超級電容器重要的研究方向之一是將其與高比能量的蓄電池連用，在車輛加速 、剎車或爬坡的時候提供車輛所需的高功率，在車輛正常行駛時則由蓄電池充電或由車輛剎車時所產(chǎn)生的電能充電，減少汽車對蓄電池大電流放電的要求，達(dá)到減少蓄電池的體積和延長蓄電池壽命的目的。 對于超級電容器 ， 今后要研究的方向和重點(diǎn)是 ： 利用超級電容器的高比功率特性和快速放電特性 ， 進(jìn)一步優(yōu)化超級電容器在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用技術(shù)。此外 ，在我國大力發(fā)展新能源這一政策指導(dǎo)下 ， 在光伏發(fā)電領(lǐng)域、風(fēng)力發(fā)電領(lǐng)域 ， 超級電容器以其快充快放等特點(diǎn)為改進(jìn)和發(fā)展關(guān)鍵設(shè)備提供了有利條件。 超級電容器的應(yīng)用研究 18 結(jié) 論 目前，超級電容器的研 究主要圍繞碳材料展開，但是制備的電容器比能量很低，而且性能有待進(jìn)一步提高。納米碳材料的出現(xiàn)和發(fā)展為超級電容器電極材料研究提供了新的發(fā)展方向，將給超級電容器性能提高提供廣闊的發(fā)展思路和空間。 近年來，大功率超級電容器的生產(chǎn)逐漸走向成熟。我國科學(xué)家經(jīng)過不斷努力，將比活性碳有更多貯存離子空間的金屬氧化物附著在直徑大約 100 納米的碳納米管上，而碳納米管又涂在鉭金屬薄片上，由此形成了“納米牧場”的結(jié)構(gòu)。研究結(jié)果表明，納米牧場的貯電能力是單個氧化錳貯電能力的 10 倍，所貯備的電量是現(xiàn)有超級電容器所使用的碳電極貯電量的兩倍 。納米牧場的復(fù)雜結(jié)構(gòu)可以抵擋機(jī)械性能的退化，從而避免超級電容器的性能隨時間逐步下降。測試結(jié)果表明，此新裝置的貯電能力在充電和耗電 2 萬次之后僅僅下降了 3％，勝過其他高性能的設(shè)計。隨著國家在風(fēng)能、太陽能和電動汽車等領(lǐng)域的不斷投入，相信我國的科研工作者有望讓它們盡快應(yīng)用于實(shí)際中。 超級電容器的應(yīng)用研究 19 參考文獻(xiàn) [1] 張丹丹，姚宗干 (大容量高儲能密度電化學(xué)電容器的研究進(jìn)展［ J］ .電子元件與材料，(1):34. 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